郝一霖，李維軍，肖繼博，袁瑋駿

液壓安全閥阻液裝置氣體流場(chǎng)分析

郝一霖1，李維軍1，肖繼博2，袁瑋駿1

（1. 遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001； 2. 中國(guó)石油化工股份有限公司北京燕山分公司，北京 100000）

對(duì)液壓安全閥的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行優(yōu)化，為其增加阻液裝置，使用FLUENT軟件對(duì)不同型式的液壓安全閥進(jìn)行流場(chǎng)仿真，并對(duì)其水體積分?jǐn)?shù)和流速進(jìn)行比較。結(jié)果表明：增加阻液裝置后的液壓安全閥開(kāi)啟后不影響流速，并可以避免密封液噴出罐外和濺入罐內(nèi)等現(xiàn)象的發(fā)生。

液壓安全閥；阻液裝置；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；流場(chǎng)仿真

呼吸閥是儲(chǔ)罐不可缺少的安全附件，其可以使儲(chǔ)罐避免因超壓而造成破壞或因超真空而導(dǎo)致失穩(wěn)[1]。為了保證油罐的安全，罐上還裝設(shè)液壓安全閥，液壓安全閥所控制的壓力值和真空值比油罐呼吸閥高5％～10％[2]，所以在油罐超壓或機(jī)械式呼吸閥因腐蝕或凍結(jié)而失靈時(shí)[3]，液壓安全閥會(huì)自動(dòng)打開(kāi)來(lái)調(diào)節(jié)罐內(nèi)壓力[4]。液壓安全閥是保證油罐安全運(yùn)行的最后保障[5]。到目前為止，油田石油開(kāi)采、集輸過(guò)程中尚未實(shí)現(xiàn)原油全過(guò)程密閉輸送，需要進(jìn)入儲(chǔ)罐進(jìn)行計(jì)量或沉降等處理，進(jìn)入儲(chǔ)罐的石油伴生氣大量分離，致使在呼吸閥失效時(shí)液壓安全閥正壓超壓開(kāi)啟時(shí)導(dǎo)致密封液噴出閥外、污染罐頂，負(fù)壓超壓開(kāi)啟時(shí)導(dǎo)致密封液被吸入儲(chǔ)罐內(nèi)污染罐內(nèi)介質(zhì)[6]。這一現(xiàn)象可以導(dǎo)致以下3方面的問(wèn)題：一是液壓安全閥中的密封液外泄，如不及時(shí)補(bǔ)充密封液，液壓安全閥的安全可靠性降低；二是外泄的密封液污染了儲(chǔ)罐，濺入儲(chǔ)罐內(nèi)的密封液污染罐內(nèi)介質(zhì)，給員工清洗儲(chǔ)罐增加了工作量和高空作業(yè)的不安全性；三是密封液不斷外泄，需要及時(shí)補(bǔ)充，浪費(fèi)資源[7]。為解決密封液噴濺問(wèn)題，著手進(jìn)行外部結(jié)構(gòu)改造，即在液壓安全閥下部加裝積液腔，積液腔底部加放油閥[6]。密封液噴出或溢出后，落入積液腔，操作人員上罐檢查時(shí)，通過(guò)放油閥將密封液回收。這種改造方式，雖然改善了罐頂積油現(xiàn)象，但未徹底解決該問(wèn)題。再次對(duì)液壓安全閥改進(jìn)，在正壓積液腔和負(fù)壓積液腔內(nèi)壁頂部焊接阻液裝置，密封液帶壓噴出時(shí)，攜帶的油滴在阻液裝置處碰撞后改變方向，有效阻擋了密封液噴出。

1 傳統(tǒng)液壓安全閥結(jié)構(gòu)及通氣量計(jì)算

1.1 傳統(tǒng)液壓安全閥基本模型

傳統(tǒng)液壓安全閥主要由3部分組成：帶法蘭中心管、密封液儲(chǔ)液筒和阻火器[8]。傳統(tǒng)液壓安全閥結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

1—阻火器；2—密封液儲(chǔ)液筒；3—分隔筒；4—帶法蘭中心管

1.2 通氣量計(jì)算

正壓開(kāi)啟時(shí)出口流速應(yīng)按下式計(jì)算[9]：

式中：—通氣量，m3/h；

—測(cè)試管流通截面面積，m2；

—流通截面內(nèi)氣體平均流速，m/s。

本文模擬規(guī)格為DN150的液壓安全閥，額定通氣量根據(jù)表1選取1 000 m3/h。

設(shè)測(cè)試管道直徑為300 mm，則測(cè)試管的截面積為=0.07 m2，額定通氣量為=1 000 m3/h，則流速應(yīng)為3.967 7 m/s。

吸氣時(shí)通氣量為呼氣時(shí)0.5倍，故負(fù)壓開(kāi)啟時(shí)出口流速應(yīng)為1.983 9 m/s。

表1 液壓安全閥通氣量表[9]

2 新型液壓安全閥流場(chǎng)仿真分析

2.1 新型液壓安全閥基本模型

新型液壓安全閥在傳統(tǒng)液壓安全閥的基礎(chǔ)上增加了正壓與負(fù)壓積液腔，新型液壓安全閥結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

1—頂端法蘭；2—阻火器遮蓋罩；3—阻火器；4—正壓通道；5—正壓積液腔；6—帶法蘭中心管；7—負(fù)壓通道；8—負(fù)壓積液腔；9—底端法蘭

2.2 模型簡(jiǎn)化

本次流場(chǎng)仿真的對(duì)象為新型液壓安全閥，首先對(duì)其進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，因模擬情況為呼吸閥失效時(shí)液壓安全閥使用狀況，也不考慮阻火器對(duì)其的影響，簡(jiǎn)化掉液壓安全閥兩端法蘭及帶法蘭中心管上部，并將阻火器及其遮蓋罩進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 簡(jiǎn)化后新型液壓安全閥結(jié)構(gòu)

2.3 對(duì)新型液壓安全閥進(jìn)行流場(chǎng)仿真

本文使用FLUENT軟件進(jìn)行流場(chǎng)分析，首先導(dǎo)入簡(jiǎn)化后的三維模型，建模后正壓條件下設(shè)置帶法蘭中心管底端為入口，阻火器兩端為出口，負(fù)壓條件下與之相反?？紤]到計(jì)算區(qū)域的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在劃分網(wǎng)格時(shí)采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中的三角形網(wǎng)格，使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格可以消除結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)性限制，節(jié)點(diǎn)和單元分布的可控性好，因而能較好地處理邊界。設(shè)置網(wǎng)格大小為3 mm，生成網(wǎng)格后節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 673 060個(gè)，單元數(shù)為5 929 334個(gè)。本文建模應(yīng)用液壓安全閥的網(wǎng)格局部放大如圖4所示。在仿真過(guò)程中，考慮了重力對(duì)流場(chǎng)影響，設(shè)置沿帶法蘭中心管向下的自由落體加速度，加速度為9.81 m/s2，設(shè)置閥體材料為304不銹鋼，計(jì)算域的進(jìn)口采用壓力入流（pressure-inlet）條件，出口采用壓力出流（pressure-outlet）條件。設(shè)置水為液封介質(zhì)，并選用液壓安全閥開(kāi)啟壓力等級(jí)為E級(jí)，即正壓開(kāi)啟壓力為+1 960 Pa，負(fù)壓開(kāi)啟壓力為-490 Pa。設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為0.02 s，時(shí)間步數(shù)為100步，即正壓時(shí)在2 s內(nèi)入口壓力提升至+1 960 Pa；負(fù)壓時(shí)在2 s內(nèi)提升壓力至-490 Pa。

圖4 網(wǎng)格局部放大圖

2.4 流場(chǎng)仿真結(jié)果及其分析

在呼吸閥失效時(shí)，液壓安全閥正壓和負(fù)壓超壓開(kāi)啟后流場(chǎng)水體積分?jǐn)?shù)仿真如圖5和圖6所示，速度矢量圖見(jiàn)圖7和圖8。從流場(chǎng)水體積分?jǐn)?shù)圖中可以看出，液壓安全閥正壓超壓開(kāi)啟后部分密封液隨著高壓氣體溢出閥外，污染罐頂；負(fù)壓超壓時(shí)部分密封液被吸入罐內(nèi)，污染罐內(nèi)介質(zhì)。新型液壓安全閥與傳統(tǒng)液壓安全閥相比，增加了正壓與負(fù)壓積液腔，在超壓開(kāi)啟時(shí)，有部分密封液落入積液腔內(nèi)，可以進(jìn)行回收，但回收效率較低，仍有部分密封液噴出或?yàn)R入罐內(nèi)。速度矢量圖中，新型液壓安全閥正壓超壓開(kāi)啟時(shí)，單個(gè)出口流速可以達(dá)到3.497 m/s以上，負(fù)壓超壓開(kāi)啟時(shí)出口流速達(dá)到2.021 m/s以上，均符合《中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0511.2010》石油儲(chǔ)罐附件第一部分：呼吸閥[9]中對(duì)通氣量的要求。增加正壓與負(fù)壓積液腔不影響新型液壓安全閥正常使用。

圖5 正壓開(kāi)啟水體積分?jǐn)?shù)分布

圖6 負(fù)壓開(kāi)啟水體積分?jǐn)?shù)分布

圖7 正壓開(kāi)啟速度矢量圖

圖8 負(fù)壓開(kāi)啟速度矢量圖

3 增加阻液裝置新型液壓安全閥流場(chǎng)仿真

3.1 新型液壓安全閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)新型液壓安全閥進(jìn)行優(yōu)化，考慮到正負(fù)壓超壓噴濺現(xiàn)象，為其增加正壓和負(fù)壓阻液裝置，為了不影響超壓開(kāi)啟后通氣量，在正壓通道和負(fù)壓通道居中處增加適當(dāng)長(zhǎng)度阻液裝置，增加阻液裝置后新型液壓安全閥示意圖如圖9所示。

1—頂端法蘭；2—阻火器遮蓋罩；3—阻火器；4—正壓阻液裝置；5—正壓通道；6—正壓積液腔；7—帶法蘭中心管；8—負(fù)壓阻液裝置；9—負(fù)壓通道；10—負(fù)壓積液腔；11—底端法蘭

3.2 模型簡(jiǎn)化

對(duì)增加阻液裝置的新型液壓安全閥進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化掉新型液壓安全閥兩端法蘭及帶法蘭中心管上部，并將阻火器及其遮蓋罩進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 增加阻液裝置新型液壓安全閥結(jié)構(gòu)

3.3 增加阻液裝置新型液壓安全閥流場(chǎng)仿真

使用FLUENT軟件對(duì)優(yōu)化后的新型液壓安全閥進(jìn)行流場(chǎng)仿真，劃分網(wǎng)格及設(shè)置條件與未增加阻液裝置新型液壓安全閥相同。

3.4 流場(chǎng)仿真結(jié)果及其分析

增加阻液裝置后新型液壓安全閥正壓和負(fù)壓超壓開(kāi)啟后流場(chǎng)水體積分?jǐn)?shù)仿真如圖11和圖12所示，速度矢量圖如圖13和圖14所示。從流場(chǎng)水體積分?jǐn)?shù)圖中可以看出，增加阻液裝置后新型液壓安全閥正壓超壓開(kāi)啟后沒(méi)有密封液伴隨高壓氣體溢出閥外；負(fù)壓超壓時(shí)幾乎沒(méi)有密封液被吸入罐內(nèi)。速度矢量圖中，新型液壓安全閥正壓超壓開(kāi)啟時(shí)，單個(gè)出口流速可以達(dá)到3.349 m/s以上，負(fù)壓超壓開(kāi)啟時(shí)出口流速達(dá)到1.951 m/s以上，增加正壓與負(fù)壓阻液裝置后通氣量符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，不影響新型液壓安全閥正常使用。

圖11 優(yōu)化后新型液壓安全閥正壓水體積分?jǐn)?shù)分布

圖12 優(yōu)化后新型液壓安全閥負(fù)壓水體積分?jǐn)?shù)分布

圖13 優(yōu)化后新型液壓安全閥正壓開(kāi)啟速度矢量圖

4 結(jié) 論

采用FLUENT軟件對(duì)液壓安全閥進(jìn)行流場(chǎng)仿真，仿真計(jì)算結(jié)果基本達(dá)到預(yù)期目的，通過(guò)流場(chǎng)仿真結(jié)果可以看出，增加阻液裝置的新型液壓安全閥符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)通氣量的要求，在正壓和負(fù)壓超壓開(kāi)啟時(shí)，密封液噴出罐外和濺入罐內(nèi)的現(xiàn)象大幅減少，避免密封液污染罐頂及罐內(nèi)介質(zhì)的情況發(fā)生。

圖14 優(yōu)化后新型液壓安全閥負(fù)壓開(kāi)啟速度矢量圖

本文的結(jié)構(gòu)優(yōu)化只是對(duì)液壓安全閥的一個(gè)初步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并得到合理的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使石油化工儲(chǔ)罐運(yùn)行更加流暢，提高了生產(chǎn)的可靠性。

［1］王春陽(yáng).收油過(guò)程中液壓安全閥溢油的預(yù)測(cè)模型[J]. 云南化工，2018，45（9）：153-154.

［2］趙曉艷.油田集輸站液壓安全閥常見(jiàn)問(wèn)題分析[J].中國(guó)石油和化工，2016(S1)：337.

［3］白建雄，胡靖平，杜晶磊，等.罐區(qū)液壓安全閥隱患排查及優(yōu)化措施[J].石油化工應(yīng)用，2016，35（8）：138-141.

［4］劉曉.淺談石油化工常壓及低壓儲(chǔ)罐安全泄放設(shè)施設(shè)計(jì)[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2014，34（7）：242.

［5］羅來(lái)龍，駱學(xué)軍，劉昆鵬，等.復(fù)合型液封技術(shù)在液壓安全閥上的應(yīng)用[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2010，29（9）：696-697+700.

［6］曹富珍.油田集輸站液壓安全閥常見(jiàn)問(wèn)題分析和改進(jìn)方法[J].安全，2016，37（4）：54+57.

［7］馬玉寧.液壓安全閥的改造及應(yīng)用[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2017，37（14）：106-107.

［8］SY/T 0511.2-2010，石油儲(chǔ)罐附件 第2部分：液壓安全閥[S].

［9］SY/T 0511.1-2010，石油儲(chǔ)罐附件 第1部分：呼吸閥[S].

［10］劉海濤，劉孟華.石油儲(chǔ)罐液壓安全閥運(yùn)行中存在的問(wèn)題及改進(jìn)措施[J].安全、健康和環(huán)境，2012，12（10）：49-50.

Analysis on Gas Flow Field of Hydraulic Safety Valve With Liquid Blocking Device

1,1,2,1

（1. Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China;2. Sinopec Beijing Yanshan Petrochemical Company, Beijing 113001, China）

The structure of the hydraulic safety valve was optimized, and a liquid blocking device was added to it. FLUENT software was used to simulate the flow fields of different types of hydraulic safety valves and compare their water fractions and flow rates. The results showed that the opening of the hydraulic safety valve with the liquid blocking device did not affect the flow rate and could prevent the sealing liquid from spraying out of the oil tank and splashing into the oil tank.

hydraulic safety valve; liquid blocking device; structural optimization; flow field simulation

2020-01-15

郝一霖（1995-），男，碩士，遼寧省沈陽(yáng)市人。

李維軍（1976-），男，副教授，碩士，研究方向：過(guò)程控制技術(shù)。

TQ050.3

A

1004-0935（2020）05-0504-04